JP6820367B2 - Position sensor and position sensing method - Google Patents

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Description

本開示は、検出方向と整列していない任意の方向におけるセンサ構成素子の動きを補償する位置センサに関する。本開示はまた、位置を感知する対応する方法に関する。 The present disclosure relates to a position sensor that compensates for the movement of sensor components in any direction that is not aligned with the detection direction. The present disclosure also relates to corresponding methods of sensing location.

位置センサは典型的には、単純な磁石および磁場センサを使用して構築される。磁石が磁場センサに対して動く際、磁場センサは、動きの程度を表す出力信号を発生する。そのような位置センサは、製造が単純であり、典型的には大量生産される。磁石と磁場センサとの間の距離は、センサにおける磁場強度と相関している。 Position sensors are typically constructed using simple magnet and magnetic field sensors. When the magnet moves with respect to the magnetic field sensor, the magnetic field sensor generates an output signal indicating the degree of movement. Such position sensors are simple to manufacture and are typically mass-produced. The distance between the magnet and the magnetic field sensor correlates with the magnetic field strength at the sensor.

このタイプのセンサは、製造が単純で安価であるが、それらは、漂遊磁場および磁石の不整合に対して非常に敏感である。例えば、意図された移動の動きに対して垂直な方向における磁石の動きは、磁場センサにおける磁場強度を変化させ、それによって、位置測定に影響を与えるであろう。 Although this type of sensor is simple and inexpensive to manufacture, they are very sensitive to stray magnetic fields and magnet inconsistencies. For example, the movement of the magnet in a direction perpendicular to the intended movement of movement will change the magnetic field strength in the magnetic field sensor, thereby affecting the position measurement.

本開示は、特定の方向における位置を検出するための磁気抵抗磁場センサを提供する。本センサは、対で配置された複数の磁気抵抗素子を含む。同じ対の素子は、それらの感度方向が同じ方向に配向されるように配置されている。異なる対の素子は、それらの感度方向が異なる方向に、好ましくは別の対に対して実質的に垂直に配向されるように配向される。磁気抵抗センサおよびそれらの感度方向は、一般に、デバイスの測定方向に対して垂直である平面内に配置されている。各対の素子は、ブリッジ回路を形成するように、2つのノード間に直列に配置される。そのため、第1の平面内の磁石の動きは、各対の素子に実質的に等しい変化を引き起こし、それによって、出力信号内のこの動きを補償する。 The present disclosure provides a magnetoresistive magnetic field sensor for detecting a position in a particular direction. The sensor includes a plurality of magnetoresistive elements arranged in pairs. The same pair of elements are arranged so that their sensitivity directions are oriented in the same direction. The different pairs of elements are oriented so that their sensitivity directions are oriented differently, preferably substantially perpendicular to the other pair. Reluctance sensors and their sensitivity directions are generally located in a plane perpendicular to the measurement direction of the device. Each pair of elements is arranged in series between the two nodes to form a bridge circuit. As such, the movement of the magnets in the first plane causes substantially equal changes in each pair of elements, thereby compensating for this movement in the output signal.

第1の態様によれば、少なくとも第1の方向において位置を測定するための磁気抵抗位置センサが提供される。本センサは、少なくとも第1の方向に動くように配置された磁石と、第1の方向における磁石の動きを検出するように、かつ少なくとも第2の方向における磁石の動きを補償するように配置された差動磁場センサと、を備える。 According to the first aspect, a magnetoresistive position sensor for measuring a position in at least a first direction is provided. The sensor is arranged to detect the movement of the magnet in at least the first direction and the movement of the magnet in the first direction, and to compensate for the movement of the magnet in at least the second direction. It is equipped with a differential magnetic field sensor.

そのため、本センサは、1つの特定の方向、すなわち検出方向における磁石の動きを測定するように構成され、一方、少なくとも第2の方向における磁石の動きは、差動磁場センサによって補償される。つまり、本センサは、この他の方向におけるいかなる動きも検出方向における磁石の動きの測定に影響しないように、異なる方向における磁石の動きを補償する。例えば、磁石は、センサの上方に吊り下げられ、z方向においてセンサに向かっておよびセンサから離れて動くように構成されてもよく、本センサは、磁石がこの方向に動く際の磁場強度の変化を測定する。差動磁場センサは次に、磁石が検出方向に動く際に磁石によるいかなる横方向の動きから生じる磁場強度の変化も補償するように構成されてもよい。 Therefore, the sensor is configured to measure the movement of the magnet in one particular direction, i.e. the detection direction, while the movement of the magnet in at least the second direction is compensated by the differential magnetic field sensor. That is, the sensor compensates for the movement of the magnet in different directions so that any movement in any other direction does not affect the measurement of the movement of the magnet in the detection direction. For example, the magnet may be configured to hang above the sensor and move towards and away from the sensor in the z direction, where the sensor changes the magnetic field strength as the magnet moves in this direction. To measure. The differential magnetic field sensor may then be configured to compensate for changes in magnetic field strength resulting from any lateral movement of the magnet as it moves in the detection direction.

差動磁場センサは、複数の磁気抵抗素子を備えてもよい。例えば、磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗(GMR)スピンバルブ、トンネル磁気抵抗(TMR)素子、異方性磁気抵抗素子(AMR)、または特定の方向における磁場の変化に敏感な任意の他の好適な磁気抵抗デバイスであってもよい。 The differential magnetic field sensor may include a plurality of magnetoresistive elements. For example, the magnetoresistive element can be a giant magnetoresistive (GMR) spin valve, a tunnel magnetoresistive (TMR) element, an anisotropic magnetoresistive element (AMR), or any other suitable material that is sensitive to changes in the magnetic field in a particular direction. It may be a magnetoresistive device.

複数の磁気抵抗素子の各々は、感知方向を有してもよく、素子の少なくとも第1の対は、それらの感知方向が整列するように配置されてもよい。複数の磁気抵抗素子の感知方向は、第1の平面内に配置されてもよく、第1の平面は、第1の方向に対してずれていてもよい。例えば、第1の平面は、第1の方向に対して実質的に垂直であってもよい。少なくとも第2の方向は、第1の平面内にあってもよい。 Each of the plurality of magnetoresistive elements may have a sensing direction, and at least the first pair of elements may be arranged so that their sensing directions are aligned. The sensing directions of the plurality of magnetoresistive elements may be arranged in the first plane, and the first plane may be deviated from the first direction. For example, the first plane may be substantially perpendicular to the first direction. At least the second direction may be in the first plane.

磁気抵抗素子の対の感知方向を整列させることによって、感知方向の方向における磁石による動きは、抵抗において同様または同一の変化をもたらし、磁気抵抗素子の対は、これが結果としてセンサ出力に対するゼロまたは実質的にゼロの変化をもたらすような方法で接続される。したがって、1つの特定の平面内で感知方向を整列させることによって、その平面内のいかなる動きも補償することができる。 By aligning the sensing directions of the pair of magnetoresistive elements, the movement of the magnet in the direction of sensing results in similar or identical changes in resistance, and the pair of magnetoresistive elements results in zero or substantial relative to the sensor output. They are connected in such a way that they bring about zero change. Therefore, by aligning the sensing directions within one particular plane, any movement within that plane can be compensated.

本センサは、それらの感知方向が整列し、かつそれらの感知方向が磁気抵抗素子の第1の対に対してずれるように配置された磁気抵抗素子の第2の対をさらに備えてもよい。磁気抵抗素子の第1の対の感知方向は、磁気抵抗素子の第2の対の感知方向に対して実質的に垂直であってもよい。 The sensor may further include a second pair of magnetoresistive elements arranged so that their sensing directions are aligned and their sensing directions are offset from the first pair of magnetoresistive elements. The sensing direction of the first pair of magnetoresistive elements may be substantially perpendicular to the sensing direction of the second pair of magnetoresistive elements.

例えば、検出方向がz方向である場合、磁気抵抗素子の感知方向は、x−y平面内に配置されてもよい。磁気抵抗素子の一対は、x方向における動きを補償するために、それらの感知方向をその方向に整列させ、一方、磁気抵抗素子の別の対は、y方向における動きを補償するために、それらの感知方向をその方向に整列させてもよい。 For example, when the detection direction is the z direction, the sensing direction of the magnetoresistive element may be arranged in the xy plane. A pair of magnetoresistive elements aligns their sensing directions in that direction to compensate for movement in the x direction, while another pair of magnetoresistive elements aligns them in that direction to compensate for movement in the y direction. The sensing direction of is may be aligned in that direction.

複数の磁気抵抗素子は、少なくとも第1および第2の対がセンサの周囲に均等に分布するように第1の平面に配置されてもよく、磁気抵抗素子の対の各それぞれの素子は、センサの対向する側に、かつ磁石に対して等距離の位置に配設される。例えば、磁気抵抗素子の各対は、センサの対向する角に配置されてもよく、または、それらは、センサの対向する端の中心に配置されてもよい。 The plurality of magnetoresistive elements may be arranged in a first plane so that at least the first and second pairs are evenly distributed around the sensor, and each element of each pair of magnetoresistive elements is a sensor. It is arranged on the opposite side of the magnet and at a position equidistant from the magnet. For example, each pair of magnetoresistive elements may be located at opposite corners of the sensor, or they may be centered at the opposite ends of the sensor.

複数の磁気抵抗素子は、ブリッジ配置で接続されてもよく、ブリッジの出力は、第1の方向における磁石の動きを示してもよい。例えば、ブリッジ配置は、ホイートストンブリッジ回路であってもよい。 The plurality of magnetoresistive elements may be connected in a bridge arrangement, and the output of the bridge may indicate the movement of the magnet in the first direction. For example, the bridge arrangement may be a Wheatstone bridge circuit.

少なくとも第2の方向は、第1の方向に実質的に垂直な第1の平面内にあってもよく、ブリッジ配置の出力は、第1の平面内の磁石の動きを示さない。そのため、ブリッジ配置の出力は、第1の方向における動きの指標を提供するだけでよく、一方、差動磁場センサは、第1の平面内のいかなる動きも補償するように構成される。すなわち、差動磁場センサは、第1の平面内での磁石のいかなる動きも出力にゼロまたは実質的にゼロの変化をもたらすように構成される。そのため、出力は、第1の平面内での磁石の横方向の動きによって引き起こされる磁場強度のいかなる変化によっても実質的に影響されない限り、第1の平面内の動きとは無関係である。 At least the second direction may be in a first plane that is substantially perpendicular to the first direction, and the output of the bridge arrangement does not indicate the movement of the magnets in the first plane. Therefore, the output of the bridge arrangement only needs to provide an indicator of motion in the first direction, while the differential magnetic field sensor is configured to compensate for any motion in the first plane. That is, the differential magnetic field sensor is configured such that any movement of the magnet in the first plane results in a zero or substantially zero change in output. As such, the output is independent of movement in the first plane unless it is substantially affected by any change in magnetic field strength caused by the lateral movement of the magnet in the first plane.

いくつかの配置では、磁気抵抗素子の第1の対は第1のノードと第2のノードとの間に直列に接続され、素子の第2の対は第1のノードと第2のノードとの間に直列に接続され、ブリッジ回路の出力は、各対の間のノードから取り出される。 In some arrangements, the first pair of magnetoresistive elements is connected in series between the first node and the second node, and the second pair of elements is with the first node and the second node. Connected in series between, the output of the bridge circuit is taken from the node between each pair.

そのような場合、複数の磁気抵抗素子の各々は、感知方向を有してもよい。磁気抵抗素子の第1の対は、それらの感知方向が整列するように配置され、磁気抵抗素子の第2の対は、それらの感知方向が整列するように配置される。ここで、磁気抵抗素子の第2の対の感知方向は、磁気抵抗素子の第1の対の感知方向に対してずれている。例えば、磁気抵抗素子の第1の対の感知方向は、磁気抵抗素子の第2の対の感知方向に対して実質的に垂直であってもよい。 In such a case, each of the plurality of magnetoresistive elements may have a sensing direction. The first pair of magnetoresistive elements are arranged so that their sensing directions are aligned, and the second pair of magnetoresistive elements are arranged so that their sensing directions are aligned. Here, the sensing direction of the second pair of magnetoresistive elements is deviated from the sensing direction of the first pair of magnetoresistive elements. For example, the sensing direction of the first pair of magnetoresistive elements may be substantially perpendicular to the sensing direction of the second pair of magnetoresistive elements.

複数の磁気抵抗素子のうちの1つは、基準抵抗であってもよい。いくつかの配置では、基準抵抗は、その出力が磁場依存性ではないように遮蔽されてもよい。 One of the plurality of magnetoresistive elements may be a reference resistor. In some arrangements, the reference resistor may be shielded so that its output is not magnetic field dependent.

さらなる態様によれば、磁気抵抗位置センサを使用して、少なくとも第1の方向における位置を測定する方法が提供される。本方法は、差動磁場センサを使用して、第1の方向における磁石の位置を検出することと、差動磁場センサを使用して、少なくとも第2の方向における磁石の動きを補償することと、を含む。 According to a further aspect, a method of measuring a position in at least a first direction using a magnetoresistive position sensor is provided. The method uses a differential magnetic field sensor to detect the position of the magnet in the first direction and uses the differential magnetic field sensor to compensate for the movement of the magnet in at least the second direction. ,including.

少なくとも第2の方向は、第1の平面内にあってもよく、第1の平面は、第1の方向に対して実質的に垂直である。 At least the second direction may be in the first plane, which is substantially perpendicular to the first direction.

第3の態様によれば、第2の態様の方法を実行するように構成された位置センサが提供される。 According to the third aspect, a position sensor configured to perform the method of the second aspect is provided.

第4の態様によれば、少なくとも第1の方向における位置を測定するためのセンサ磁気抵抗位置センサが提供される。本センサは、少なくとも第1の方向に動くように配置された磁石と、その上に配置された複数の磁気抵抗素子を有する基板であって、磁気抵抗素子が第1の方向における磁石の動きを検出するように配置された、基板と、を備える。ここで、磁気抵抗素子は、少なくとも第2の方向における磁石の動きを補償するように、ブリッジ配置で配置される。 According to a fourth aspect, a sensor magnetoresistive position sensor for measuring a position in at least a first direction is provided. This sensor is a substrate having a magnet arranged so as to move in at least the first direction and a plurality of magnetoresistive elements arranged on the magnet, and the magnetoresistive element moves the magnet in the first direction. It comprises a substrate, which is arranged to detect. Here, the magnetoresistive elements are arranged in a bridge arrangement so as to compensate for the movement of the magnet in at least the second direction.

次に、本開示は、添付の図面を参照してほんの一例として説明される。 The present disclosure will then be described as just an example with reference to the accompanying drawings.

本開示の一実施形態によるセンサの概略斜視図である。It is the schematic perspective view of the sensor by one Embodiment of this disclosure. 図1のセンサの感知素子の平面図である。It is a top view of the sensing element of the sensor of FIG. 本開示の一実施形態によるブリッジ回路である。It is a bridge circuit according to one embodiment of the present disclosure. 本開示の一実施形態によるGMRスピンバルブの伝達曲線を示すチャートである。It is a chart which shows the transmission curve of the GMR spin valve by one Embodiment of this disclosure. 磁石が感知素子の上方に吊り下げられているときの図2の感知素子の表面における磁場強度を示すチャートである。6 is a chart showing the magnetic field strength on the surface of the sensing element of FIG. 2 when the magnet is suspended above the sensing element. 本開示のさらなる実施形態による感知素子の平面図である。It is a top view of the sensing element by the further embodiment of this disclosure. 本開示の一実施形態によるブリッジ回路である。It is a bridge circuit according to one embodiment of the present disclosure. 図6の感知素子の各素子における磁場を示すチャート、および磁石と感知素子との相対位置を示すチャートである。6 is a chart showing a magnetic field in each element of the sensing element of FIG. 6, and a chart showing a relative position between the magnet and the sensing element. 図6の感知素子の各素子における磁場を示すチャート、および磁石と感知素子との相対位置を示すチャートである。6 is a chart showing a magnetic field in each element of the sensing element of FIG. 6, and a chart showing a relative position between the magnet and the sensing element. 図6の感知素子の各素子における磁場を示すチャート、および磁石と感知素子との相対位置を示すチャートである。6 is a chart showing a magnetic field in each element of the sensing element of FIG. 6, and a chart showing a relative position between the magnet and the sensing element. 図6の感知素子の各素子における磁場を示すチャート、および磁石と感知素子との相対位置を示すチャートである。6 is a chart showing a magnetic field in each element of the sensing element of FIG. 6, and a chart showing a relative position between the magnet and the sensing element. z方向における磁石の動きに対する全体の磁場強度を示すチャートである。It is a chart which shows the total magnetic field strength with respect to the movement of a magnet in the z direction. 本開示のさらなる実施形態によるブリッジ回路である。It is a bridge circuit according to a further embodiment of the present disclosure. 本開示のさらなる実施形態による感知素子の平面図である。It is a top view of the sensing element by the further embodiment of this disclosure. 本開示のさらなる実施形態によるブリッジ回路である。It is a bridge circuit according to a further embodiment of the present disclosure. 本開示の一実施形態によるGMR多層の典型的な伝達曲線を示すチャートである。It is a chart which shows the typical transfer curve of the GMR multilayer by one Embodiment of this disclosure. 図10の感知素子の各素子における磁場を示すチャートである。It is a chart which shows the magnetic field in each element of the sensing element of FIG. 図10の感知素子の各素子における磁場を示すチャートである。It is a chart which shows the magnetic field in each element of the sensing element of FIG. 図10の感知素子の各素子における磁場を示すチャートである。It is a chart which shows the magnetic field in each element of the sensing element of FIG. 図10の感知素子の各素子における磁場を示すチャートである。It is a chart which shows the magnetic field in each element of the sensing element of FIG. 図10の感知素子についてz方向における磁石の動きに対する全体の磁場強度を示すチャートである。It is a chart which shows the total magnetic field strength with respect to the movement of the magnet in the z direction about the sensing element of FIG.

位置センサは典型的に、感知素子の上方に吊り下げられた磁石を含む。磁石は磁場を発生し、感知素子は磁場強度を測定する。磁石は、感知素子に対して前後に動くことができるように吊り下げられてもよい。例えば、磁石は、ばねとして作用する金属接続を使用して吊り下げられてもよい。磁石が感知素子に近づくとき、感知素子における磁場強度が対応して増加する。逆に、磁石が感知素子から離れるとき、感知素子における磁場強度が対応して減少する。そのため、感知素子の出力は磁場強度の尺度である。これは磁石と感知素子との間の距離を表す。一実施例として、感知素子は、巨大磁気抵抗(GMR)センサなどのホール効果センサまたは磁気抵抗デバイスであってもよい。 The position sensor typically includes a magnet suspended above the sensing element. The magnet generates a magnetic field, and the sensing element measures the magnetic field strength. The magnet may be suspended so that it can move back and forth with respect to the sensing element. For example, magnets may be suspended using metal connections that act as springs. As the magnet approaches the sensing element, the magnetic field strength at the sensing element increases accordingly. Conversely, as the magnet moves away from the sensing element, the magnetic field strength in the sensing element decreases accordingly. Therefore, the output of the sensing element is a measure of magnetic field strength. This represents the distance between the magnet and the sensing element. As an embodiment, the sensing element may be a Hall effect sensor such as a giant magnetoresistive (GMR) sensor or a magnetoresistive device.

位置センサは、磁石が位置検出を必要とする方向にのみ動くことができるように製造されている。これは一般にz方向と呼ばれる。しかしながら、磁石がx−y平面内で左右に動くこと、すなわち検出方向に対して垂直な平面内で動くことを完全に防止することは常に可能ではない。磁石によって生成される磁場は、z方向における磁石の端からの距離によって変化するだけでなく、x−y平面内の左右においても変化する。そのため、磁石の左右のいかなる横方向の動きも、感知素子において出力に変化を生じさせる可能性がある。これは、移動の主方向における動きとして誤って解釈され、誤った位置の読み取りが行われる可能性がある。さらに、センサが磁場を発生する別のデバイスのごく近傍内で動くと、感知素子はこれらの磁場を検出し得る。これは、主方向におけるデバイスの動きとして誤って解釈され得る。 The position sensor is manufactured so that the magnet can move only in the direction in which position detection is required. This is commonly referred to as the z direction. However, it is not always possible to completely prevent the magnet from moving left and right in the xy plane, that is, in a plane perpendicular to the detection direction. The magnetic field generated by the magnet changes not only depending on the distance from the end of the magnet in the z direction, but also on the left and right in the xy plane. Therefore, any lateral movement of the magnet to the left or right can cause a change in output at the sensing element. This can be misinterpreted as a movement in the main direction of movement, resulting in an incorrect position reading. In addition, if the sensor moves in the immediate vicinity of another device that generates magnetic fields, the sensing element can detect these magnetic fields. This can be misinterpreted as the movement of the device in the main direction.

本開示の一実施形態では、センサは、x−y平面内の動きまたは外部磁場による磁場の変化を補償するように配置された感知素子の対を備える。これは、ホイートストンブリッジ配置で一緒に接続され得る磁気抵抗素子の対を使用して達成される。素子の各対の各素子は磁石の反対側に位置決めされ、磁石から等距離にある。磁石の両側の磁場強度はほぼ等しいが反対方向にある。磁気抵抗感知素子は、各対の素子がそれらの感知方向、すなわちそれらの感度が整列し同じ方向にあるように配置される。そのため、素子の一方は非常に高い電気抵抗を有し、他方は、磁石がx−y平面の中心にあるときより低い電気抵抗を有する。磁石がx−y平面内で感知方向の方向に動くにつれて、対の両方の素子は、電気抵抗の同様のまたは同一の変化を経験することになる。そのため、ホイートストンブリッジにおける電位分割器比、ひいてはホイートストンブリッジの出力は、同一または実質的に同一のままとなる。 In one embodiment of the present disclosure, the sensor comprises a pair of sensing elements arranged to compensate for movement in the xy plane or changes in the magnetic field due to an external magnetic field. This is achieved using a pair of magnetoresistive elements that can be connected together in a Wheatstone bridge arrangement. Each element in each pair of elements is positioned on the opposite side of the magnet and is equidistant from the magnet. The magnetic field strengths on both sides of the magnet are approximately equal but in opposite directions. The reluctance sensing elements are arranged such that each pair of elements is aligned and in the same direction in their sensing direction, that is, their sensitivities. Therefore, one of the elements has a very high electrical resistance and the other has a lower electrical resistance than when the magnet is in the center of the xy plane. As the magnet moves in the sensing direction in the xy plane, both elements in the pair will experience similar or identical changes in electrical resistance. Therefore, the potential divider ratio in the Wheatstone bridge, and thus the output of the Wheatstone bridge, remains the same or substantially the same.

x−y平面内で互いに垂直な感知方向を有し、磁石の周りに均等に分布した2対の素子を配置することによって、x−y平面内での磁石の動きは大きく補償される。さらに、例えば外部デバイスからの均一な外部磁場の印加は、ホイートストンブリッジの出力に全く、または最小限の影響しか及ぼさないであろう。 By arranging two pairs of elements that have sensing directions perpendicular to each other in the xy plane and are evenly distributed around the magnet, the movement of the magnet in the xy plane is greatly compensated. Moreover, the application of a uniform external magnetic field, for example from an external device, will have no or minimal effect on the output of the Wheatstone bridge.

図1は、本開示の一実施形態による位置センサ100の概略斜視図を示す。図1に示すように、センサは、磁石101と感知素子102とを含む。磁石101は、感知素子102の上方に吊り下げられており、主方向に動くように配置されている。本実施例では、主方向はz方向であり、そのため、磁石は、感知素子102から離れるおよび感知素子102に向かう方向に動くように配置されている。しかしながら、磁石は、x−y平面内でわずかに動くことも可能である。これは、z方向における動きを可能にしながら、x−y平面内で動きがないような方法で磁石を吊り下げることが非常に困難であるからである。例えば、磁石は、磁石をセンサに取り付ける金属シートコネクタによって支持されてもよい。金属コネクタは、ばねのように作用し、それによってz方向の動きを可能にする。しかしながら、金属コネクタは、ばね状であるので、x−y平面内で少量の動きが生じ得る。 FIG. 1 shows a schematic perspective view of a position sensor 100 according to an embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 1, the sensor includes a magnet 101 and a sensing element 102. The magnet 101 is suspended above the sensing element 102 and is arranged so as to move in the main direction. In this embodiment, the main direction is the z direction, so that the magnets are arranged to move away from the sensing element 102 and towards the sensing element 102. However, the magnet can also move slightly in the xy plane. This is because it is very difficult to suspend the magnet in such a way that there is no movement in the xy plane while allowing movement in the z direction. For example, the magnet may be supported by a metal sheet connector that attaches the magnet to the sensor. The metal connector acts like a spring, thereby allowing movement in the z direction. However, since the metal connector is spring-shaped, a small amount of movement can occur in the xy plane.

図2は、図1に示す感知素子102の平面図を示す。本実施例では、感知素子102は、シリコンまたはガラスから形成され得る基板103を含む。基板は、基板103の上面に形成された4つの磁気抵抗素子R1、R2、R3、およびR4を有する。磁気抵抗素子は、薄膜デバイスであり、これは、標準的な半導体製造プロセスを使用して形成され得る。本実施例では、磁気抵抗デバイスは、巨大磁気抵抗(GMR)スピンバルブである。しかしながら、磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗(TMR)素子または異方性磁気抵抗素子(AMR)であってもよい。一般に、これらのデバイスは、xMR素子と称され得る。さらなる実施形態では、特定の方向における磁場の変化に敏感な任意のタイプの磁気抵抗デバイスを使用してもよい。 FIG. 2 shows a plan view of the sensing element 102 shown in FIG. In this embodiment, the sensing element 102 includes a substrate 103 that can be made of silicon or glass. The substrate has four magnetoresistive elements R1, R2, R3, and R4 formed on the upper surface of the substrate 103. The magnetoresistive element is a thin film device, which can be formed using standard semiconductor manufacturing processes. In this embodiment, the magnetoresistive device is a giant magnetoresistive (GMR) spin valve. However, the magnetoresistive element may be a tunnel magnetoresistive element (TMR) element or an anisotropic magnetoresistive element (AMR). Generally, these devices may be referred to as xMR devices. In a further embodiment, any type of reluctance device that is sensitive to changes in the magnetic field in a particular direction may be used.

本実施例では、各磁気抵抗素子R1〜R4は、正方形基板のそれぞれの角に向かって形成されてよい。本実施例では、感知素子102の対向する角にある磁気抵抗素子は、それらの感度方向が整列するように配置される。そのため、素子R1およびR4は、それらの感度方向が整列され、素子R2およびR3は、それらの感度方向が整列される。素子R2およびR3の感度方向は、それが素子R1およびR4の感度方向に対して垂直であるように配置される。しかしながら、他の配置も可能であることが理解されよう。例えば、磁気抵抗素子R1〜R4の各々は、基板の端の中心に向かって形成されてもよい。 In this embodiment, the magnetoresistive elements R1 to R4 may be formed toward the respective corners of the square substrate. In this embodiment, the magnetoresistive elements at the opposite corners of the sensing element 102 are arranged so that their sensitivity directions are aligned. Therefore, the sensitivity directions of the elements R1 and R4 are aligned, and the sensitivity directions of the elements R2 and R3 are aligned. The sensitivity directions of the elements R2 and R3 are arranged so that they are perpendicular to the sensitivity directions of the elements R1 and R4. However, it will be understood that other arrangements are possible. For example, each of the magnetoresistive elements R1 to R4 may be formed toward the center of the edge of the substrate.

さらなる実施形態では、感知素子は、磁気抵抗素子の2対より多くを含み得る。素子の対の数が多いほど、センサは、x−y平面内の磁石の動きを補償するのに優れている。磁気抵抗素子の所与の数の対について、対の感度方向は、360度の周りに均等に分布していてもよい。すなわち、磁気抵抗素子の対は、動きが補償される平面の周りに均等に分布させることができ、各対は、磁石の反対側に位置決めされ、磁石から等距離にある。 In a further embodiment, the sensing element may include more than two pairs of magnetoresistive elements. The greater the number of pairs of elements, the better the sensor is to compensate for the movement of the magnet in the xy plane. For a given number of pairs of magnetoresistive elements, the sensitivity directions of the pairs may be evenly distributed around 360 degrees. That is, the pairs of magnetoresistive elements can be evenly distributed around a plane in which motion is compensated, and each pair is positioned on the opposite side of the magnet and equidistant from the magnet.

図3は、磁場の変化を検出するために磁気抵抗素子R1〜R4をブリッジ配置で接続し得る様態を示す回路図である。本実施例では、素子R1およびR4は、第1のノードと第2のノードとの間に直列に接続されてもよい。第1のノードは第1の供給レールに結合され、第2のノードは第2の供給レールまたは接地に接続されている。対応する様態で、素子R3およびR2は第1のノードと第2のノードとの間に直列に接続される。そのため、素子R1およびR4の組み合わせは、素子R2およびR3の組み合わせと並列に接続される。ブリッジ回路の出力は次に、素子R1およびR4の間の第3のノード、および素子R2およびR3の間の第4のノードから取り出される。素子の抵抗が変化すると、出力が変化し、それによってz方向における磁石の動きの指標を提供し得る。 FIG. 3 is a circuit diagram showing a mode in which magnetoresistive elements R1 to R4 can be connected in a bridge arrangement in order to detect a change in a magnetic field. In this embodiment, the elements R1 and R4 may be connected in series between the first node and the second node. The first node is connected to the first supply rail and the second node is connected to the second supply rail or ground. In the corresponding manner, the elements R3 and R2 are connected in series between the first node and the second node. Therefore, the combination of the elements R1 and R4 is connected in parallel with the combination of the elements R2 and R3. The output of the bridge circuit is then taken from a third node between elements R1 and R4 and a fourth node between elements R2 and R3. As the resistance of the device changes, the output changes, which can provide an indicator of the movement of the magnet in the z direction.

図4は、GMRスピンバルブの典型的な伝達曲線を示す。このチャートは、印加された磁場に対してデバイスの抵抗の変化率がどのように変化するかを示す。GMRスピンバルブの感度方向に印加される高い正の磁場に対して、抵抗は低い。GMRスピンバルブの感度方向に印加される高い負の磁場に対しては、抵抗は高い。上述した実施形態の磁気抵抗素子は、これらの特性を取り得る。 FIG. 4 shows a typical transmission curve of a GMR spin valve. This chart shows how the rate of change of the resistance of the device changes with respect to the applied magnetic field. The resistance is low with respect to the high positive magnetic field applied in the sensitivity direction of the GMR spin valve. The resistance is high against a high negative magnetic field applied in the sensitivity direction of the GMR spin valve. The magnetoresistive element of the above-described embodiment can take these characteristics.

図5は、磁石が表面の2mm上の距離に位置し、センサ表面のまさに中心にあるとき、すなわち、x−y平面内で動かないときの感知素子102の表面のx−y平面内の磁場を示す。このチャートには、平面内成分(HxおよびHy)が示されているが、平面外成分(Hz)は含まれていない。磁場強度は、感知素子表面のごく中心で本質的にゼロであるのに対して、センサの端に向かって比較的強い。 FIG. 5 shows a magnetic field in the xy plane of the surface of the sensing element 102 when the magnet is located at a distance of 2 mm above the surface and is exactly in the center of the sensor surface, that is, when it does not move in the xy plane. Is shown. The chart shows the in-plane components (Hx and Hy) but does not include the out-plane components (Hz). The magnetic field strength is essentially zero at the very center of the sensor surface, whereas it is relatively strong towards the edge of the sensor.

次に、センサ100の動作について説明する。図2に示される配置を参照すると、磁石が定常状態にある間、R1およびR2の感度方向と同じ方向に高磁場が印加されるので、R1およびR2の抵抗は低い。逆に、R3およびR4の感度方向とは反対方向に高磁場が印加されるので、R3およびR4の抵抗は高い。これにより、ブリッジ回路の出力に電圧差が生じる。この電圧は、z方向におけるゼロ動きのためのプリセット電圧として記録されてもよい。 Next, the operation of the sensor 100 will be described. Referring to the arrangement shown in FIG. 2, the resistance of R1 and R2 is low because a high magnetic field is applied in the same direction as the sensitivity direction of R1 and R2 while the magnet is in the steady state. On the contrary, since the high magnetic field is applied in the direction opposite to the sensitivity direction of R3 and R4, the resistance of R3 and R4 is high. This causes a voltage difference in the output of the bridge circuit. This voltage may be recorded as a preset voltage for zero movement in the z direction.

磁石101がx−y平面内に固定されていると仮定すると、磁石が感知素子102から離れるにつれて、磁場強度は感知素子の表面で弱まる。そのため、磁場が素子R1およびR2の感度方向と同じ方向に配向されるにつれて、素子R1およびR2の抵抗は増加する。逆に、磁場が素子R3およびR4の感度方向と反対方向に配向されるにつれて、素子R3およびR4の抵抗は減少する。そのため、素子R1およびR4の抵抗の比は減少し、一方、素子R3およびR2の抵抗の比は増加する。そのため、ブリッジ回路の出力も変化する。磁石が感知素子に向かって動くとき、反対のことが起こる。 Assuming that the magnet 101 is fixed in the xy plane, the magnetic field strength weakens at the surface of the sensing element as the magnet moves away from the sensing element 102. Therefore, as the magnetic field is oriented in the same direction as the sensitivity direction of the elements R1 and R2, the resistance of the elements R1 and R2 increases. Conversely, as the magnetic field is oriented in the direction opposite to the sensitivity direction of the elements R3 and R4, the resistance of the elements R3 and R4 decreases. Therefore, the ratio of the resistances of the elements R1 and R4 decreases, while the ratio of the resistances of the elements R3 and R2 increases. Therefore, the output of the bridge circuit also changes. The opposite happens when the magnet moves towards the sensing element.

図2を再び参照すると、磁気抵抗素子およびブリッジ回路の構成は、x−y平面内での磁石の動きがブリッジ回路の出力に最小のまたはゼロの影響しか及ぼさないようなものである。例えば、R1およびR4の感度方向においてx−y平面内で磁石が動くと、対応してR1およびR4の抵抗値が変化する。例えば、図5を参照すると、磁石がR1に向かって横方向に動くと、磁場はわずかに減少し、抵抗がわずかに増加する。磁石がR1に向かって動くと、磁石はR4から離れる。これにより、R4における磁場がわずかに増加する。しかしながら、磁場がR4の感度方向とは反対の方向にあり、R4が高抵抗にあるので、R4も対応する抵抗の増加を経験する。そのため、R1およびR4のデバイダネットワークは、デバイダ比のいかなる大きな変化も経験しない。したがって、ブリッジ回路からの出力は同じ、または実質的に同じままである。磁気抵抗素子の2対を有することの結果として、x−y平面内の他方向における動きに対する同様の補償が達成される。 With reference to FIG. 2 again, the magnetoresistive element and the configuration of the bridge circuit are such that the movement of the magnet in the xy plane has a minimal or zero effect on the output of the bridge circuit. For example, when the magnet moves in the xy plane in the sensitivity direction of R1 and R4, the resistance values of R1 and R4 change accordingly. For example, referring to FIG. 5, as the magnet moves laterally towards R1, the magnetic field decreases slightly and the resistance increases slightly. As the magnet moves towards R1, the magnet moves away from R4. This causes a slight increase in the magnetic field at R4. However, since the magnetic field is in the direction opposite to the sensitivity direction of R4 and R4 is at high resistance, R4 also experiences a corresponding increase in resistance. As such, the R1 and R4 divider networks do not experience any significant changes in divider ratios. Therefore, the output from the bridge circuit remains the same or substantially the same. As a result of having two pairs of magnetoresistive elements, similar compensation for movement in other directions in the xy plane is achieved.

図6Aは、さらなる実施形態による感知素子600を示す。感知素子600は、磁気抵抗素子H1〜H4が角ではなく基板の端に沿って位置決めされていることを除いて、図2に示す素子102と同じである。図6Aに示される矢印は、各素子についての感度方向に対応する。そのため、本実施例では、感知素子600の対向する端にある磁気抵抗素子は、それらの感度方向が整列するように配置されている。素子H1およびH3はそれらの感度方向が整列され、素子H2およびH4はそれらの感度方向が整列される。素子H2およびH4の感度方向は、それが素子H1およびH3の感度方向に対して垂直であるように配置される。ブリッジ回路に関しては、図6Bに示すように、ブリッジの一方の側でH1およびH3が直列に接続され、他方の側でH2およびH4が直列に接続されている。 FIG. 6A shows the sensing element 600 according to a further embodiment. The sensing element 600 is the same as the element 102 shown in FIG. 2, except that the magnetoresistive elements H1 to H4 are positioned along the edge of the substrate instead of the corners. The arrows shown in FIG. 6A correspond to the sensitivity direction for each element. Therefore, in this embodiment, the magnetoresistive elements at the opposite ends of the sensing element 600 are arranged so that their sensitivity directions are aligned. The sensitivity directions of the elements H1 and H3 are aligned, and the sensitivity directions of the elements H2 and H4 are aligned. The sensitivity directions of the elements H2 and H4 are arranged so that they are perpendicular to the sensitivity directions of the elements H1 and H3. As for the bridge circuit, as shown in FIG. 6B, H1 and H3 are connected in series on one side of the bridge, and H2 and H4 are connected in series on the other side.

磁石がz方向に動くとき、動作方法は、図2および図3に関連して上述したものと本質的に同じである。磁石が定常状態にある間、H1およびH2の感度方向と同じ方向に高磁場が印加されるので、H1およびH2の抵抗は低い。逆に、H3およびH4の感度方向とは反対方向に高磁場が印加されるので、H3およびH4の抵抗は高い。したがって、磁石が感知素子600から離れるにつれて、感知素子の表面で磁場強度が弱まり、素子H1およびH2の抵抗を増加させ、素子H3およびH4の抵抗を減少させる。そのため、素子H1およびH3の抵抗比は減少し、一方素子H4およびH2の抵抗比は増加し、ブリッジ回路の出力に変化をもたらす。前述のように、磁石が感知素子600に向かって動くとき、反対のことが起こる。 When the magnet moves in the z direction, the method of operation is essentially the same as described above in connection with FIGS. 2 and 3. While the magnet is in the steady state, the resistance of H1 and H2 is low because a high magnetic field is applied in the same direction as the sensitivity direction of H1 and H2. On the contrary, since the high magnetic field is applied in the direction opposite to the sensitivity direction of H3 and H4, the resistance of H3 and H4 is high. Therefore, as the magnet moves away from the sensing element 600, the magnetic field strength weakens on the surface of the sensing element, increasing the resistance of the elements H1 and H2 and decreasing the resistance of the elements H3 and H4. Therefore, the resistivity ratios of the elements H1 and H3 decrease, while the resistivity ratios of the elements H4 and H2 increase, resulting in a change in the output of the bridge circuit. As mentioned above, the opposite happens when the magnet moves towards the sensing element 600.

図7Aから図7Dは、センサが動作する様態を実証するために、感知素子600の個々の各素子における磁場強度の測定値を示す。実際には、そのような測定は、行われない。図8は、感知素子600の全体の出力を示す。図7および図8に示されるチャートは、z方向における磁石の開始位置またはゼロ位置が、磁石からセンサ表面まで約2mmであるというシミュレーションに基づいていることに留意されたい。そのため、図7A〜7Dおよび図8に示されるグラフは、磁石がこのゼロ位置から出発してセンサに向かっておよびセンサから離れて動くときのz方向における磁場強度の変化を示す。 7A-7D show measurements of magnetic field strength at each individual element of the sensing element 600 to demonstrate how the sensor operates. In practice, no such measurement is made. FIG. 8 shows the overall output of the sensing element 600. Note that the charts shown in FIGS. 7 and 8 are based on a simulation in which the starting or zero position of the magnet in the z direction is about 2 mm from the magnet to the sensor surface. Therefore, the graphs shown in FIGS. 7A-7D and 8 show the change in magnetic field strength in the z direction as the magnet moves from this zero position towards and away from the sensor.

図7Aは、磁石が感知素子の中心にあるときの各素子の出力を示す。磁石に対する感知素子の位置はチャートの右側に示されている。y軸は測定された磁場強度を示し、一方、x軸はミリメートル単位でz方向における磁石の変位を示す。図7Aに示すように、z方向における磁石の変位にかかわらず、H1およびH2において測定された磁場強度は、同一である。H3およびH4によって測定された磁場強度もまた同一であり、さらにH1およびH2で測定された磁場強度と等しくかつ反対である。そのため、zが増加するにつれて、磁場強度は、H1、H2、H3、およびH4において減少する。そのため、ブリッジ回路からの出力は、z方向における動きのみを反映する。 FIG. 7A shows the output of each element when the magnet is in the center of the sensing element. The position of the sensing element with respect to the magnet is shown on the right side of the chart. The y-axis shows the measured magnetic field strength, while the x-axis shows the displacement of the magnet in the z direction in millimeters. As shown in FIG. 7A, the magnetic field strengths measured in H1 and H2 are the same regardless of the displacement of the magnet in the z direction. The magnetic field strengths measured by H3 and H4 are also the same, and are equal to and opposite to the magnetic field strengths measured by H1 and H2. Therefore, as z increases, the magnetic field strength decreases at H1, H2, H3, and H4. Therefore, the output from the bridge circuit reflects only the movement in the z direction.

図7Bは、磁石がx方向(この例では左方向)に変位したときの同じ配置を示す。示されるように、H2のプロットおよびH4のプロットは、H2およびH4の領域において磁場強度が実質的に変化していないので、変化しないか、または非常に小さい程度で変化する。しかしながら、H1を表すプロットは上方に動いており、磁場強度の増加を示している。H3を表すプロットも上方に動いており、磁場強度の減少を表している。そのため、H1およびH3の両方の抵抗は、減少するであろう。H1およびH3は、ブリッジ配置で直列に形成されるので、2つの抵抗間の電位は、大きくは変化しないであろう。事実上、H1およびH3は、x方向における動きを補償する。 FIG. 7B shows the same arrangement when the magnet is displaced in the x direction (left in this example). As shown, the H2 and H4 plots do not change, or change to a very small extent, as the magnetic field strength does not change substantially in the H2 and H4 regions. However, the plot representing H1 is moving upwards, indicating an increase in magnetic field strength. The plot representing H3 is also moving upwards, representing a decrease in magnetic field strength. Therefore, the resistance of both H1 and H3 will be reduced. Since H1 and H3 are formed in series in a bridge arrangement, the potential between the two resistors will not change significantly. In effect, H1 and H3 compensate for movement in the x direction.

図7Cは、磁石がy方向に(この例では上に)変位したときの同じ配置を示す。示されるように、H1のプロットおよびH3のプロットは、H1およびH3の領域において磁場強度が実質的に変化していないので、変化しないか、または非常に小さい程度で変化する。しかしながら、H2を表すプロットは、上方に動いており、磁場強度の増加を示している。H4を表すプロットも上方に動いており、磁場強度の減少を表している。そのため、H2およびH4の両方の抵抗は、減少するであろう。H2およびH4は、ブリッジ配置で直列に形成されるので、2つの抵抗間の電位は、大きくは変化しないであろう。事実上、H2およびH4は、y方向における動きを補償する。 FIG. 7C shows the same arrangement when the magnet is displaced in the y direction (upward in this example). As shown, the plot of H1 and the plot of H3 do not change or change to a very small extent because the magnetic field strength does not change substantially in the region of H1 and H3. However, the plot representing H2 is moving upwards, showing an increase in magnetic field strength. The plot representing H4 is also moving upwards, representing a decrease in magnetic field strength. Therefore, the resistance of both H2 and H4 will be reduced. Since H2 and H4 are formed in series in a bridge arrangement, the potential between the two resistors will not change significantly. In effect, H2 and H4 compensate for movement in the y direction.

図7Dは、磁石がx方向およびy方向に変位したときの同じ配置を示す。ここで、H1を表すプロットは、素子H1の領域における磁場強度の増加を示し、一方、H3を表すプロットは、素子H3の領域における磁場強度の減少を示し、それによって素子H1およびH3は、対応する抵抗の減少を経験する。同様に、H2を表すプロットは、素子H2の領域における磁場強度の増加を示し、一方、H4を表すプロットは、素子H4の領域における磁場強度の減少を示す。しかしながら、素子H2およびH4の感度方向は、素子H1およびH3の感度方向に対して垂直であるので、この磁場強度の変化は、素子H2およびH4の抵抗の対応する増加をもたらす。その結果、素子H1およびH3、ならびに素子H2およびH4の各それぞれの対におけるブリッジ出力は、同じ、または実質的に同じままである。そのため、H1およびH3は、x方向における動きを補償し、H2およびH4は、y方向における動きを補償する。 FIG. 7D shows the same arrangement when the magnets are displaced in the x and y directions. Here, the plot representing H1 shows an increase in magnetic field strength in the region of element H1, while the plot representing H3 shows a decrease in magnetic field strength in the region of element H3, whereby elements H1 and H3 correspond. Experience a decrease in resistance. Similarly, the plot representing H2 shows an increase in magnetic field strength in the region of element H2, while the plot representing H4 shows a decrease in magnetic field strength in the region of element H4. However, since the sensitivity directions of the elements H2 and H4 are perpendicular to the sensitivity directions of the elements H1 and H3, this change in magnetic field strength results in a corresponding increase in the resistance of the elements H2 and H4. As a result, the bridge outputs in each pair of elements H1 and H3 and each of the elements H2 and H4 remain the same or substantially the same. Therefore, H1 and H3 compensate for the movement in the x direction, and H2 and H4 compensate for the movement in the y direction.

図8は、z方向における磁石の変位に対してブリッジ回路が検出する磁場強度を示すチャートである。本実施例では、チャートは、磁石が、中心にあるときのプロット、x方向に0.2mm変位したときのプロット、y方向に0.2mm変位したときのプロット、および、x方向およびy方向の両方において0.2mm変位したときのプロットを示す。x−y動きのために出力にわずかな差があるが、これは、単一素子型検出器と比較して、大きく補償される。 FIG. 8 is a chart showing the magnetic field strength detected by the bridge circuit with respect to the displacement of the magnet in the z direction. In this embodiment, the charts are a plot when the magnet is in the center, a plot when the magnet is displaced 0.2 mm in the x direction, a plot when the magnet is displaced 0.2 mm in the y direction, and a plot in the x direction and the y direction. The plot when the displacement is 0.2 mm in both is shown. There is a slight difference in output due to xy motion, which is largely compensated for compared to single element detectors.

図9は、代替実施形態によるブリッジ回路を示す。本実施形態では、R1〜R4は各々、2つの同一の磁気抵抗素子R1a、R1b、R2a、R2b、R3a、R3b、R4a、およびR4bから形成されている。例えば、R1aおよびR1bは、R1を形成するストリップを半分に切断することによって形成される。R1aおよびR1bは、同じ感度方向を有し、感知素子の同じ部分に位置している。これらの各素子は次に、図9に示すブリッジ配置で接続される。この配置の利点は、温度マッチング特性が向上することである。磁石がz方向に動くとき、動作方法は、図2および図3に関連して上述したものと本質的に同じであり、z方向に動くとブリッジ回路の出力に対応する変化が生じる。図2および図3と同様に、x−y平面内の磁石のいかなる動きも、整列されかつ同じ方向にある感度を有するセンサの対向する側にある感知素子の対によって補償される。例えば、感知素子の対R1aおよびR4b、R1bおよびR4a、R2aおよびR3b、R2bおよびR3aの各々は、x−y平面内の変位を補償するであろう。 FIG. 9 shows a bridge circuit according to an alternative embodiment. In this embodiment, R1 to R4 are formed from two identical magnetoresistive elements R1a, R1b, R2a, R2b, R3a, R3b, R4a, and R4b, respectively. For example, R1a and R1b are formed by cutting the strip forming R1 in half. R1a and R1b have the same sensitivity direction and are located in the same part of the sensing element. Each of these elements is then connected in a bridge arrangement as shown in FIG. The advantage of this arrangement is that the temperature matching characteristics are improved. When the magnet moves in the z direction, the method of operation is essentially the same as described above in connection with FIGS. 2 and 3, and moving in the z direction causes a change corresponding to the output of the bridge circuit. Similar to FIGS. 2 and 3, any movement of the magnet in the xy plane is compensated by a pair of sensing elements on opposite sides of the sensor that are aligned and have sensitivities in the same direction. For example, each of the sensing element pairs R1a and R4b, R1b and R4a, R2a and R3b, R2b and R3a will compensate for the displacement in the xy plane.

図10は、本開示のさらなる実施形態による感知素子900を示す。本実施形態では、磁気抵抗素子R1〜R4に加えて、遮蔽された基準抵抗901が感知素子900の中央に含まれる。本実施形態では、磁気抵抗素子はGMR多層素子である。図11は、図10に示す配置と共に使用されるブリッジ配置を示す。R1〜R4は直列または並列配置で結合されてもよい。R1〜R4の直列または並列配置の全抵抗は、基準抵抗901の抵抗に等しいかまたはほぼ等しくあるべきである。素子の各それぞれの対、R1およびR4、ならびにR2およびR3は、実質的に前の実施例と同じ方法でx−y平面内の動きを補償する。代替として、R1〜R4は各々、2つの同一の磁気抵抗素子R1a、R1b、R2a、R2b、R3a、R3b、R4a、およびR4bから形成されてもよい。そのような場合、図11の左上の抵抗は、R1aからR4aまでに形成され、右下は、R1bからR4bまでに形成されてもよい。さらなる代替として、左上の抵抗は、R1およびR2から形成されてもよい一方、右下の抵抗は、R3およびR4から形成されてもよい。 FIG. 10 shows a sensing element 900 according to a further embodiment of the present disclosure. In the present embodiment, in addition to the magnetoresistive elements R1 to R4, a shielded reference resistor 901 is included in the center of the sensing element 900. In this embodiment, the magnetoresistive element is a GMR multilayer element. FIG. 11 shows a bridge arrangement used with the arrangement shown in FIG. R1 to R4 may be connected in series or in parallel. The total resistance of the series or parallel arrangement of R1 to R4 should be equal to or approximately equal to the resistance of the reference resistor 901. Each pair of elements, R1 and R4, and R2 and R3 compensate for movement in the xy plane in substantially the same way as in the previous embodiment. Alternatively, R1 to R4 may be formed from two identical magnetoresistive elements R1a, R1b, R2a, R2b, R3a, R3b, R4a, and R4b, respectively. In such a case, the upper left resistor of FIG. 11 may be formed from R1a to R4a, and the lower right resistor may be formed from R1b to R4b. As a further alternative, the upper left resistor may be formed from R1 and R2, while the lower right resistor may be formed from R3 and R4.

図12は、本開示の一実施形態によるGMR多層の典型的な伝達曲線を示すチャートである。本実施例では、チャートは、本明細書に開示されている抵抗についてのGMR抵抗と磁場強度との間の一般的な関係を示す。抵抗の変化は、磁場方向とは無関係である。 FIG. 12 is a chart showing a typical transfer curve of a GMR multilayer according to an embodiment of the present disclosure. In this example, the chart shows the general relationship between GMR resistance and magnetic field strength for the resistors disclosed herein. The change in resistance is independent of the magnetic field direction.

図13Aから図13Dは、さらなる実施形態における抵抗R1〜R4の個々の磁場強度の測定値のシミュレーションを示す。本実施形態では、磁気抵抗素子は、図6Aに示す配置と同様に、角ではなく端の中央に配置されている。図14は、図13Aから図13Dについて使用された磁気抵抗配置を使用して、図11に示されたブリッジ配置の出力のシミュレーションを示す。見てわかるように、この配置は、上述の実施形態に対するさらなる改善を示し、x−y平面内での動きから生じる出力にほとんどまたは全く差がない。 13A through 13D show simulations of individual magnetic field strength measurements of resistors R1 to R4 in a further embodiment. In this embodiment, the magnetoresistive element is arranged at the center of the edge rather than at the corner, similar to the arrangement shown in FIG. 6A. FIG. 14 shows a simulation of the output of the bridge arrangement shown in FIG. 11 using the reluctance arrangements used for FIGS. 13A-13D. As can be seen, this arrangement shows a further improvement over the embodiments described above, with little or no difference in the output resulting from movement in the xy plane.

図13Aは、磁石がセンサの上方の中心にあるときに磁石がz方向に変位するとき、すなわちx方向およびy方向において変位がないときの、4つすべての抵抗R1〜R4の磁場強度の変化を示す。ここでは、4つすべての抵抗の磁場強度は、同じである。図13B、図13C、および図13Dは、磁石もその中心位置から横方向に離れて変位したときの、z方向における変位による磁場強度の変化を示す。図13Bでは、磁石はx方向に変位し、抵抗R1およびR3は対応する磁場強度の変化ひいては抵抗を経験し、それによってこの横方向の動きを補償する。図13Cでは、磁石は、y方向に変位し、抵抗R2およびR4は、磁場強度の対応する変化ひいては抵抗を経験し、それによってこの横方向の動きを補償する。図13Dでは、磁石は、x方向およびy方向の両方において変位し、各対が再び、磁場強度の対応する変化ひいては抵抗を経験し、それによって両方向における横方向の動きの責任を負う。 FIG. 13A shows changes in the magnetic field strength of all four resistors R1 to R4 when the magnet is displaced in the z direction when it is in the upper center of the sensor, that is, when there is no displacement in the x and y directions. Is shown. Here, the magnetic field strengths of all four resistors are the same. 13B, 13C, and 13D show the change in magnetic field strength due to the displacement in the z direction when the magnet is also displaced laterally away from its central position. In FIG. 13B, the magnet is displaced in the x direction and the resistors R1 and R3 experience a corresponding change in magnetic field strength and thus resistance, thereby compensating for this lateral movement. In FIG. 13C, the magnet is displaced in the y direction and the resistors R2 and R4 experience a corresponding change in magnetic field strength and thus resistance, thereby compensating for this lateral movement. In FIG. 13D, the magnets are displaced in both the x and y directions, and each pair again experiences a corresponding change in magnetic field strength and thus resistance, thereby being responsible for lateral movement in both directions.

本開示は、一方向における磁石の動きの検出が他方向における動きによって妨害される可能性がある多くの用途での使用に好適である。例示的な用途としては、デジタルカメラの駆動モータ、顕微鏡の駆動モータ、および近接検出器が挙げられる。 The present disclosure is suitable for use in many applications where detection of magnet movement in one direction can be hindered by movement in the other direction. Exemplary applications include digital camera drive motors, microscope drive motors, and proximity detectors.

100 位置センサ
101 磁石
102 感知素子
103 基板
900 感知素子
901 基準抵抗
100 Position sensor 101 Magnet 102 Sensing element 103 Board 900 Sensing element 901 Reference resistance

Claims (19)

少なくとも第1の方向における位置を測定するための磁気抵抗位置センサであって、
少なくとも前記第1の方向において動くように配置された磁石と、
前記第1の方向における前記磁石の動きを検出するように、かつ少なくとも第2の方向における前記磁石の動きを補償するように配置された差動磁場センサと、を備え
前記少なくとも第2の方向は、第1の平面内にあり、前記第1の平面は、前記第1の方向に対してずれている、磁気抵抗位置センサ。
A magnetoresistive position sensor for measuring a position in at least the first direction.
With magnets arranged to move at least in the first direction,
A differential magnetic field sensor arranged to detect the movement of the magnet in the first direction and to compensate for the movement of the magnet in at least the second direction .
Said at least second direction is in a first plane, said first plane, said that deviates relative to the first direction, the magnetoresistive position sensor.
前記差動磁場センサは、複数の磁気抵抗素子を備える、請求項1に記載のセンサ。 The sensor according to claim 1, wherein the differential magnetic field sensor includes a plurality of magnetoresistive elements. 前記複数の磁気抵抗素子の各々は、感知方向を有し、前記磁気抵抗素子の少なくとも第1の対は、それらの感知方向が整列するように配置されている、請求項2に記載のセンサ。 The sensor according to claim 2, wherein each of the plurality of magnetoresistive elements has a sensing direction, and at least the first pair of the magnetoresistive elements is arranged so that their sensing directions are aligned. 前記複数の磁気抵抗素子の前記感知方向は、前記第1の平面内に配置されている、請求項3に記載のセンサ。 Wherein the sensing direction of the plurality of magnetoresistive elements, the first being located in the plane A sensor according to claim 3. 前記第1の平面は、前記第1の方向に対して実質的に垂直である、請求項4に記載のセンサ。 The sensor according to claim 4, wherein the first plane is substantially perpendicular to the first direction. 前記磁気抵抗素子の第2の対は、それらの感知方向が整列するように、かつそれらの感知方向が前記磁気抵抗素子の前記第1の対に対してずれるように配置されている、請求項3に記載のセンサ。 Claim that the second pair of magnetoresistive elements is arranged so that their sensing directions are aligned and their sensing directions deviate from the first pair of magnetoresistive elements. The sensor according to 3. 前記磁気抵抗素子の前記第1の対の前記感知方向は、前記磁気抵抗素子の前記第2の対の前記感知方向に対して実質的に垂直である、請求項に記載のセンサ。 The sensor according to claim 6 , wherein the sensing direction of the first pair of the magnetoresistive element is substantially perpendicular to the sensing direction of the second pair of the magnetoresistive element. 前記複数の磁気抵抗素子は、前記磁気抵抗素子の少なくとも前記第1および第2の対が前記センサの周囲に均等に分布するように、前記第1の平面内に配置され、前記磁気抵抗素子の対の各それぞれの素子は、前記センサの対向する側に、かつ前記磁石に対して等距離の位置に配設される、請求項に記載のセンサ。 Wherein the plurality of magnetoresistive elements, the so small the first and second pairs even without the magnetoresistive element are distributed uniformly around the sensor, disposed in said first plane, said magnetoresistive The sensor according to claim 6 , wherein each element of the pair of elements is arranged on the opposite side of the sensor and at a position equal to the magnet. 前記複数の磁気抵抗素子は、ブリッジ配置で接続され、前記ブリッジ配置の出力は、前記第1の方向における前記磁石の動きを示す、請求項2に記載のセンサ。 Wherein the plurality of magnetoresistive elements are connected in a bridge arrangement, the output of the bridge arrangement, showing the movement of the magnet in the first direction, the sensor according to claim 2. 前記ブリッジ配置は、ホイートストンブリッジ回路である、請求項に記載のセンサ。 The sensor according to claim 9 , wherein the bridge arrangement is a Wheatstone bridge circuit. 前記少なくとも第2の方向は、前記第1の方向に対して実質的に垂直な前記第1の平面内にあり、前記ブリッジ配置の前記出力は、前記第1の平面内の前記磁石の動きを示さない、請求項に記載のセンサ。 Said at least second direction is in a substantially perpendicular said first plane with respect to the first direction, the output of the bridge arrangement, the movement of the magnet in said first plane The sensor according to claim 9, which is not shown. 磁気抵抗素子の第1の対は、第1のノードと第2のノードとの間に直列に接続され、素子の第2の対は、前記第1のノードと前記第2のノードとの間に直列に接続され、ブリッジ回路の出力は、各対の間のノードから取り出される、請求項に記載のセンサ。 The first pair of magnetoresistive elements is connected in series between the first node and the second node, and the second pair of elements is between the first node and the second node. The sensor according to claim 9 , wherein the output of the bridge circuit is taken from the node between each pair. 前記複数の磁気抵抗素子の各々は、感知方向を有し、前記磁気抵抗素子の前記第1の対は、それらの感知方向が整列するように配置され、前記磁気抵抗素子の前記第2の対は、それらの感知方向が整列するように配置され、前記磁気抵抗素子の前記第2の対の前記感知方向は、前記磁気抵抗素子の前記第1の対の前記感知方向に対してずれている、請求項1に記載のセンサ。 Each of the plurality of magnetoresistive elements has a sensing direction, and the first pair of the magnetoresistive elements is arranged so that their sensing directions are aligned, and the second pair of the magnetoresistive elements. Are arranged so that their sensing directions are aligned, and the sensing direction of the second pair of the magnetoresistive elements is deviated from the sensing direction of the first pair of the magnetoresistive elements. a sensor according to claim 1 2. 前記磁気抵抗素子の前記第1の対の前記感知方向は、前記磁気抵抗素子の前記第2の対の前記感知方向に対して実質的に垂直である、請求項1に記載のセンサ。 Wherein the sensing direction of the first pair of magnetoresistance elements are substantially perpendicular to the sensing direction of the second pair of the magnetoresistive element, the sensor according to claim 1 3. 前記複数の磁気抵抗素子のうちの1つは、基準抵抗である、請求項2に記載のセンサ。 The sensor according to claim 2, wherein one of the plurality of magnetoresistive elements is a reference resistance. 前記基準抵抗は、その出力が磁場依存性ではないように遮蔽されている、請求項1に記載のセンサ。 The sensor according to claim 15 , wherein the reference resistor is shielded so that its output is not magnetic field dependent. 磁気抵抗位置センサを使用して、少なくとも第1の方向における位置を測定するための方法であって、
差動磁場センサを使用して、第1の方向における磁石の位置を検出することと、
前記差動磁場センサを使用して、少なくとも第2の方向における前記磁石の動きを補償することと、を含み、
前記少なくとも第2の方向は、第1の平面内にあり、前記第1の平面は、前記第1の方向に対してずれている、方法。
A method for measuring a position in at least a first direction using a reluctance position sensor.
Using a differential magnetic field sensor to detect the position of the magnet in the first direction,
Using the differential magnetic field sensor, viewed contains a compensating movement of the magnets in at least a second direction, and
A method in which the at least the second direction is in the first plane and the first plane is offset from the first direction .
記第1の平面は、前記第1の方向に対して実質的に垂直である、請求項1に記載の方法。 Before SL first plane is substantially perpendicular to the first direction, the method of claim 1 7. 少なくとも第1の方向における位置を測定するための磁気抵抗位置センサであって、
少なくとも前記第1の方向に動くように配置された磁石と、
基板であって、その上に配置された複数の磁気抵抗素子を有し、前記磁気抵抗素子が、第1の方向における前記磁石の動きを検出するように配置された、基板と、を備え、
前記磁気抵抗素子は、少なくとも第2の方向における前記磁石の動きを補償するように、ブリッジ配置で配置され、前記少なくとも第2の方向は、第1の平面内にあり、前記第1の平面は、前記第1の方向に対してずれている、磁気抵抗位置センサ。
A magnetoresistive position sensor for measuring the position of at least a first direction,
With a magnet arranged to move at least in the first direction,
A substrate comprising a substrate having a plurality of magnetoresistive elements arranged on the substrate, wherein the magnetoresistive element is arranged so as to detect the movement of the magnet in a first direction.
The magnetoresistive element is arranged in a bridge arrangement so as to compensate for the movement of the magnet in at least the second direction, the at least the second direction is in the first plane, and the first plane is , it is offset with respect to the first direction, magnetoresistive position sensor.
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